基于ZigBee的物聯(lián)網(wǎng)泳池報警系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：針對室內(nèi)泳池中溺水事故發(fā)生時如何快速找到溺水者并通知救生員營救的問題，設(shè)計了一種基于ZigBee的物聯(lián)網(wǎng)泳池報警系統(tǒng)。系統(tǒng)的用戶端實現(xiàn)對游泳者周圍環(huán)境和生理信息的采集，通過ZigBee技術(shù)搭建通信網(wǎng)絡(luò)，將傳感器采集整合后的數(shù)據(jù)進行傳輸；搭建OneNET云平臺，通過ESP8266模塊將協(xié)調(diào)器中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳輸至云平臺，對各游泳者的狀態(tài)進行時刻監(jiān)測與管理。系統(tǒng)將游泳者、救援室、后臺管理監(jiān)測集于一體，從而達到縮短溺水事故發(fā)現(xiàn)時間，為游泳者生命安全提供有力保障的目的。

關(guān)鍵詞：泳池報警；安全監(jiān)測；物聯(lián)網(wǎng)；ZigBee技術(shù)；OneNET；ESP8266

中圖分類號：TP29 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）06-000-04

0 引 言

近年來，游泳運動逐漸成為最受歡迎的運動之一，參與人數(shù)眾多，但隨著游泳運動人數(shù)的增加，泳池溺水事故發(fā)生率也在逐年上升。傳統(tǒng)救生員人力管理模式很難對突發(fā)溺水事件做出及時反應(yīng)[1-2]。因此如何在溺水發(fā)生時，快速找到溺水者并通知救生員營救，縮短尋找時間保證用戶游泳時的安全，成為人們普遍關(guān)心的問題。隨著科技的快速發(fā)展，考慮通過科技實現(xiàn)智能化的安全泳池，保障泳池內(nèi)游泳者的安全。

文中設(shè)計了一種基于ZigBee的物聯(lián)網(wǎng)泳池報警系統(tǒng)。本系統(tǒng)基于ZigBee無線通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建，將無線通信、物聯(lián)網(wǎng)、智能化檢測與泳池報警相結(jié)合。系統(tǒng)時刻監(jiān)測用戶的生理狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)，當(dāng)數(shù)據(jù)超出閾值時報警。對游泳者的安全進行保護監(jiān)測，當(dāng)溺水發(fā)生時及時報警并通知救生員采取救援措施。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本系統(tǒng)通過采集人體的心率、血壓以及環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)，利用控制算法實現(xiàn)報警和遠(yuǎn)程監(jiān)測功能。系統(tǒng)主要由上位機和下位機組成，上位機和下位機通過ESP8266模塊利用TCP協(xié)議通信。本系統(tǒng)的上位機采用OneNET搭建，采集的數(shù)據(jù)通過PC端顯示和保存；下位機主控電路圍繞CC2530芯片構(gòu)建多個終端采集節(jié)點電路和協(xié)調(diào)器節(jié)點電路，兩種電路之間采用ZigBee技術(shù)組網(wǎng)通信。終端采集節(jié)點電路由用戶攜帶，主要負(fù)責(zé)采集、傳輸人體的心率、血壓以及環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)，且當(dāng)判定用戶溺水時進行聲光報警。協(xié)調(diào)器節(jié)點電路監(jiān)測、處理各采集節(jié)點的數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)判定是否處于溺水狀態(tài)。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)的硬件部分主要由上位機和下位機組成，其中，下位機包括數(shù)據(jù)終端采集節(jié)點電路、協(xié)調(diào)器節(jié)點電路。采集節(jié)點電路由傳感器模塊、ZigBee模塊以及執(zhí)行機構(gòu)模塊構(gòu)成；協(xié)調(diào)器節(jié)點電路由ZigBee模塊、ESP8266模塊以及執(zhí)行機構(gòu)模塊構(gòu)成。

2.1 主控模塊設(shè)計

本系統(tǒng)以CC2530芯片為核心。CC2530是TI公司出品的一款專用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募尚酒?，它支持IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，一般用于ZigBee組網(wǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程通信控制[3]。CC2530芯片所對應(yīng)的射頻收發(fā)部分主要負(fù)責(zé)對重要信息數(shù)據(jù)的安全化、可靠化傳輸，具有強大的數(shù)據(jù)發(fā)送或者接收功能。其中，采集節(jié)點電路、協(xié)調(diào)器節(jié)點電路圍繞CC2530芯片構(gòu)建。

2.2 傳感器模塊

傳感器模塊利用傳感器對用戶心率、血壓以及周圍溫濕度進行精準(zhǔn)監(jiān)測，是系統(tǒng)其他功能實現(xiàn)的前提。

2.2.1 心率傳感器——PluseSensor

心率采集選用PluseSensor傳感器。人體血管隨著心臟進行規(guī)律性收縮，考慮到人體組織的透光率不同，因此利用光電容積法實現(xiàn)該部分功能。當(dāng)光束發(fā)出到達人體血管，此時血管搏動充血使透光率發(fā)生變化，光電變換器通過接收反射光線，將其轉(zhuǎn)換成電信號并放大和輸出[4]。血管搏動與心率一致，由此電信號的周期即為人體心率。但不同的心率傳感器受個體差異或者環(huán)境中光強的影響導(dǎo)致獲取的心率不精確，使用前需校準(zhǔn)。心率傳感器原理如圖2所示。

2.2.2 血壓傳感器——XGZP6847A

血壓作為人體生理狀態(tài)的重要參數(shù)，可以反應(yīng)人體在水中的生理狀態(tài)，對監(jiān)測用戶的安全具有重要意義。本系統(tǒng)選用靈敏度高、耐用性強的XGZP6847A型壓力傳感器，其核心為硅壓阻式芯片[5]。4個壓敏電阻構(gòu)成的惠斯通電橋集成在彈性膜上，當(dāng)脈搏跳動時，電橋產(chǎn)生的電壓輸出信號與所加壓力成線性關(guān)系。為避免出現(xiàn)較大誤差，該傳感器在使用前要進行校驗。血壓傳感器原理如圖3所示。

2.2.3 溫濕度傳感器——DHT11

DHT11是集溫度和濕度監(jiān)測于一體的復(fù)合傳感器。它由電阻式感濕元件和NTC測溫元件與8位單片機相連[6]。采集輸出為數(shù)字型，且在輸出時已校正，可直接讀取。其具有抗干擾性強、功耗小、穩(wěn)定性強、可靠性高、響應(yīng)快等特點，滿足本系統(tǒng)在室內(nèi)泳池進行監(jiān)測的要求。

2.3 ESP8266模塊

本系統(tǒng)利用ESP8266模塊實現(xiàn)上位機和下位機的無線通信。ESP8266模塊是一種可將串口轉(zhuǎn)無線、帶有超低功耗的UART-WiFi透傳模塊。其內(nèi)部集成超低功耗的32位微型MCU，內(nèi)置Tensilica L106 32位RISC處理器，CPU時鐘最高可達160 MHz，支持實時操作系統(tǒng)（RTOS）和WiFi協(xié)議棧[7]。內(nèi)置TCP、IP協(xié)議棧以及160 KB的SRAM。它具有性能穩(wěn)定、可靠性強、高集成、低功耗等特點，一般常應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)和智能家居方面[8]。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件部分開發(fā)環(huán)境為IAR和OneNET平臺。軟件系統(tǒng)設(shè)計主要有CC2530程序設(shè)計、ZigBee組網(wǎng)和上位機設(shè)計。其中，CC2530程序設(shè)計和ZigBee組網(wǎng)部分利用IAR完成，上位機設(shè)計部分利用OneNET平臺設(shè)計完成。軟件系統(tǒng)功能流程如圖4所示。

3.1 ZigBee組網(wǎng)設(shè)計

ZigBee技術(shù)是基于IEEE802.15.4協(xié)議發(fā)展起來的一種短距離無線通信技術(shù)，ZigBee具有近距離、復(fù)雜度低、功耗低、數(shù)據(jù)傳輸速率低、短延時等優(yōu)勢[9]，支持多個節(jié)點相互通信。

ZigBee組網(wǎng)可以自動完成。協(xié)調(diào)器上電后，其自動掃描，通過發(fā)送信標(biāo)請求指令，若在掃描周期內(nèi)未接收到反饋信標(biāo)指令，則判定該節(jié)點為FFD，建立網(wǎng)絡(luò)。然后進行信道選擇，經(jīng)過能量掃描和主動掃描確定信道是否合適。確定信道后在組網(wǎng)中設(shè)置唯一的16位網(wǎng)絡(luò)標(biāo)示（PINID），網(wǎng)絡(luò)終端將通過PINID判斷所在網(wǎng)絡(luò)以及與網(wǎng)絡(luò)中其他設(shè)備交互。PINID確定后，協(xié)調(diào)器將設(shè)置唯一的16位網(wǎng)絡(luò)地址作為自己當(dāng)前所在網(wǎng)絡(luò)地址，并進行相關(guān)設(shè)置與協(xié)調(diào)器的物理地址綁定，最后通過MAC層發(fā)出啟動請求指令。協(xié)調(diào)器ZigBee組網(wǎng)流程如圖5（a）所示。

協(xié)調(diào)器組網(wǎng)完成后，各終端采集節(jié)點上電，在系統(tǒng)初始化后進行信道掃描，搜尋是否有可用信道。搜尋到可用信道后，終端采集節(jié)點發(fā)送請求加入網(wǎng)絡(luò)指令。同時協(xié)調(diào)器接收指令發(fā)送反饋指令，終端采集節(jié)點接收后，即可進行數(shù)據(jù)傳輸。至此，ZigBee組網(wǎng)完成。終端采集節(jié)點加入組網(wǎng)流程如圖5（b）所示。

3.2 OneNET上位機設(shè)計

文中系統(tǒng)上位機采用OneNET。OneNET平臺是中國移動基于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)打造的生態(tài)平臺，具有數(shù)據(jù)安全存儲、高效可用、豐富API支持等特點[10]。通過在該平臺搭建可視化View界面實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和線上監(jiān)測功能?？梢暬疺iew界面通過儀表顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)，通過折線圖顯示數(shù)據(jù)的變化過程。在OneNET中搭建完成產(chǎn)品后，進行可視化View界面搭建。通過輸入產(chǎn)品ID、access_key導(dǎo)入產(chǎn)品的數(shù)據(jù)流建立View界面的數(shù)據(jù)源。再通過參考OneNET平臺開發(fā)文檔中的常用代碼，對私有過濾器的Java腳本進行改寫，對數(shù)據(jù)源中的數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)流和可視化View界面的互聯(lián)。以此實現(xiàn)圖表對心率、血壓、溫度以及濕度數(shù)據(jù)的顯示。

3.3 ESP8266模塊通信設(shè)計

系統(tǒng)通過對ESP8266模塊進行通信設(shè)計來實現(xiàn)協(xié)調(diào)器與OneNET平臺通信的目的。

系統(tǒng)中ESP8266模塊首先利用串口助手進行無線模塊的連接，協(xié)調(diào)器節(jié)點通過發(fā)送AT+CWMODE=1指令調(diào)至Station模式進行熱點連接準(zhǔn)備。手機端設(shè)置WiFi的名稱和密碼，通過AT+CWJAP指令連接當(dāng)前的WiFi熱點。此時ESP8266模塊與手機、電腦構(gòu)造局域網(wǎng)。通過AT+CIPSTART=\"TCP\"指令建立TCP連接。再發(fā)送AT+CIPMODE=1：開啟透傳模式。此時數(shù)據(jù)傳輸通道已搭建完成。協(xié)調(diào)器利用AT+CIPSEND指令將處理完成的數(shù)據(jù)打包發(fā)送至云平臺。由此，ESP8266模塊與云平臺的通信連接完成。ESP8266模塊通信連接流程如圖6所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試

模擬室內(nèi)泳池的環(huán)境，經(jīng)過多次調(diào)試，當(dāng)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)溫度超過30 ℃、濕度超過60%RH、心率超過120次、血壓超過120 mmHg（1 mmHg≈0.133 kPa）時，報警并通知救生員營救。同時用戶和管理人員可實時通過OLED顯示屏或PC端查看數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)將實時傳輸至云平臺，通過OneNET云平臺Web界面將數(shù)據(jù)實時顯示出來，還可以查看游泳過程中用戶心率和血壓以及環(huán)境溫濕度的歷史變化圖。報警狀態(tài)下PC端數(shù)據(jù)顯示界面如圖7所示。

系統(tǒng)力爭搭建一個安全性高、可靠性強、成本較低的泳池報警系統(tǒng)。以保證游泳者安全以及方便管理人員為準(zhǔn)則，完成物聯(lián)網(wǎng)智能泳池報警系統(tǒng)的開發(fā)。通過多次系統(tǒng)測試和驗證，保證了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

5 結(jié) 語

針對室內(nèi)泳池中溺水事故發(fā)生時如何快速找到溺水者并通知救生員營救的問題，設(shè)計了基于ZigBee的物聯(lián)網(wǎng)泳池報警系統(tǒng)，系統(tǒng)借助無線通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能化檢測技術(shù)與泳池報警實現(xiàn)。對現(xiàn)有設(shè)備進行整合管理，由多個數(shù)據(jù)終端節(jié)點采集游泳者的心率、血壓和溫濕度，利用ZigBee技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸至協(xié)調(diào)器節(jié)點進行處理，ESP8266模塊將數(shù)據(jù)傳至OneNET云端進行實時監(jiān)測，從而大大縮短了溺水事故的發(fā)現(xiàn)時間，為游泳者的生命安全提供了有力保障，使管理人員更加省時省力。

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